11SIMPOSIO DE TÚNELES. EXPLOTACiÓN,SEGURIDAD,CONSERVACiÓNy REPARACiÓNJACA,6 - 8 MAYO 1998

Sesión sobre Seguridad: TÚNELES URBANOS CON VENTILACiÓN LON-GITUDINAL y TRAMPILLAS DE EXTRACCiÓN DE HUMOS.

PorD.M.P.Retana';D.1.DelRey';D.A. Frailes';D.G.Vivero';D.P.Museros';D.E.Alarcón'

'Centro de Modelado en Ingeniería Mecánica (CEMIM). Madrid2ETSIngenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid

RESUMEN: La ventilación de túneles urbanos presenta algunos problemas singularesespecialmente en lo relativo a la evacuación de humos provocados por un incendio. General-mente la solución adoptada es semi-transversal con trampillas de extracción. Sin embargo enciertas circunstancias puede ser preciso combinar éstas con un sistema longitudinal basado enaceleradores. En este artículo se presenta la primera realización de este tipo proyectada enEspaña y se describe el sistema de cálculo y algunas conclusiones relativas a la filosofía deactuación en caso de incendio.

El cálculo de la ventilación de túneles

urbanos tiene diversas particularidades quelo hacen especialmente complicado y encierto modo semejante a la de los túnelesmineros o de ferrocarriles metropolitanos.Entre ellas cabe destacar los problemasintroducidos por la existencia de vías deincorporación y salida de tráfico, las comuni-caciones con otros túneles para evacuaciónde los usuarios en casos de accidente, etc.,que introducen una velocidad variable del

aire de ventilación y complican enormemen-te el control de la misma.

Por si fuera poco es posible la existenciade situaciones de tráfico saturado, a veloci-dad muy baja o nula, pero con emisión decontaminantes debido al funcionamiento de

los motores. En líneas generales puededecirse que éste es el escenario dimensio-nante en el proyecto tanto en lo que se refie-re a régimen de servicio como en situaciónde accidente con fuego. En efecto, en el pri-mer caso las emisiones son máximas, no

............

existe el efecto émbolo y la resistencia a laventilación forzada que presentan los vehí-culos parados es máxima también.

En el caso de accidente con fuego elhumo emitido afecta tanto a los vehículosparados aguas arriba como aguas abajo delfoco lo que impide el recurso típico de extrac-ción en el sentido del tráfico.

La solución que tradicionalmente se haadoptado en estos casos es el sistema trans-versal y recientemente (una vez que se hacomprobado tanto en modelos como enexperimentos en túneles reales su efectivi-dad), el sistema semi-transversal con gran-des trampillas telecomandadas de extracciónde humos.

Incluso en túneles de carretera con circu-lación en ambos sentidos se considera queeste sistema es adecuado en los casos deincendio y en nuestro país se ha llevado acabo, por ejemplo, en el nuevo túnel de Som-port'.

123

En ocasiones, sin embargo, el espacio

necesario para los conductos de suministro oextracción no existe. Ello sucede en la mayo-ría de los túneles construidos en ciudades,

con alturas y anchuras muy estrictas, quehasta ahora se han resuelto con ventilación

longitudinal mediante aceleradores y la ideade extracción de humos en el sentido del trá-

fico. Puesto que, como se ha indicado másarriba, en vías potencialmente saturablesello implica un grave riesgo en el proceso deevacuación, en este artículo se plantea laposibilidad de combinar el método longitudi-nal con un sistema de trampillas de extrac-ción telecomandadas que permita alternati-vas complementarias de actuación.

Cabe citar que en Francia acaba deconstruirse por primera vez un túnel con estesistema2 y que esta comunicación se refierea los estudios realizados para el primer túnelproyectado en España siguiendo las ideasexpuestas en los párrafos anteriores.

1. EL TUNEL DE LA RONDA DEL MIG

La Ronda del Mig es una vía rápida enBarcelona que corre en dirección N-S (figura1). El túnel que nos ocupa comunica la PlazaCerdá con la Avenida Diagonal y está com-prendido entre la calle Constitu~ió y la Tra-vesera de las Corts. Actualmente existe untúnel inicial, llamado de Badal, entre lascalles Pavía y De Sants, que fue ampliadohasta la Avenida de Madrid cuando se cons-truyó un aparcamiento cubriendo la Ronda yaprovechando el desnivel con las callesadyacentes. El primer tramo tiene una alturade unos 6 m., mientras que en el segundo sefue a un gálibo estricto de 4'60 m. La cober-tura ha permitido acondicionar la superficiecon jardines y reducir el ruido, lo que haimpulsado a plantear una actuación másgeneral para mejorar la estética de la zona yreducir la contaminación acústica. Como seha dicho más arriba ello implica el cubrimien-

Figura 1'. Plano de situación

124

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Figura 1b. Sección por la zona del aparcamiento.

to desde Constitw;:ió a Corts lo que provocaun túnel con circulación en doble sentido, yunos 1550 m. de longitud.

Debido al intenso tráfico de usuarios este

túnel reúne todas las características especia-les a que se ha hecho referencia en el apar-tado anterior: posibilidad de atascos de tráfi-co, peligrosidad del incendio, dimensionesestrictas que impiden un sistema transversal,etc. Además la repercusión en el tráfico glo-bal de la ciudad es enorme y por ello se haplanteado una actuación cuidadosa de todos

los aspectos relacionados con la seguridad.En particular el accidente con incendio hasido considerado como el factor dimensio-

nante de la ventilación y ha motivado la solu-ción proyectada que se describe a grandesrasgos a continuación.

Tras ponderar diferentes alternativas seha proyectado una cámara central que sepa-ra los dos sentidos de circulación simplifican-do de esta forma tanto la ventilación en ser-vicio como la creación de un conducto deextracción de humos. En las zonas de nueva

construcción las paredes de la cámara tienentambién función de soporte de las losas decobertura por lo que se han dimensionado enhormigón armado (figura 2) con capacidadsuficiente para resistir los impactos de tráfi-co. En los túneles existentes la cámara se

forma con placas verticales de hormigóncelular armado colocadas sobre pantallastipo New-Jersey para los precitados impac-tos. En ambos casos, cada 50 m., y en laparte superior de las paredes, se colocantrampillas con apertura y cierre telecomanda-dos de dimensiones 1'20 x 0'70, por las quese pretende aspirar los humos en caso deincendio. Existen dos cantones de unos 800m., cada uno con sendos ventiladores de

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Agura 2. Cámara de extracción con trampillas.

125

aspiración en el extremo de columnas queevacuarían los humos al exterior a unos 400

m., de cada boca. Estas columnas de extrac-ción quedan incluidas en la ordenación dejardines exteriores.

La ventilación de cada uno de los túnelesse encomienda a aceleradores reversibles

capaces de crear una ventilación longitud inalen servicio y de controlar la velocidad dentrodel túnel en caso de incendio. Puesto que enestas circunstancias los ventiladores situa-

dos en las proximidades del foco puedenquedar fuera de servicio debido a las altastemperaturas, se ha preferido un reparto uni-forme a lo largo del túnel. Ello es del mayorinterés también para controlar la velocidadafectando lo menos posible la estratificaciónde los humos. En efecto, las turbulenciascreadas por los aceleradores próximos alfuego pueden desestratificar la capa calientedistorsionando la aspiración por las trampi-lIas. Por ello interesa controlar la nube de

humos desde los ventiladores más alejados,lo que implica que se pueda disponer de ven-tiladores distribuidos a lo largo del túnel. Eneste caso se han colocado sensiblemente a100 m. de distancia.

En caso de incendio se procede inmedia-tamente a la apertura de las cinco trampillas

más próximas al fOco.,y se dispara la actua-ción de los ventiladoreS de extracción.

Simultáneamente se actúa sobre los ace-

leradores longitudinales apagando los queestuviesen encendidos y actuando sobreotros más lejanos para contener la nube dehumo en los 250 m. que tienen trampillasabiertas.

La seguridad se complementa con losmedios habituales: cordones detectores de

incendios, cámaras de televisión, postesSOS, corte de tráfico, etc.

Además existen tres puertas antipánicosituadas a distancias de 400 m., que permi-ten el paso de usuarios al túnel vecino don-de se actúa sobre los ventiladores paraaumentar la presión en las proximidades delas puertas de comunicación y evitar de esaforma la salida de humos de aquél. En la divi-

126

soria entre los dos cantones, a unos 800 m.,de cada boca, se sitúa una puerta que,actuada por los bomberos, permitiría el pasode vehículos ligeros al tubo no afectado porel accidente.

2. MÉTODO DE CALCULO

Se han preparado programas de cálculoque permiten el estudio del acoplamiento dela acción de los ventiladores y el tráfico.

El modelo de tráfico utilizado es macros-

cópico y corresponde (figura 3) a las curvasclásicas que relacionan la intensidad, densi-dad y velocidad.

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Figura 3a. Curva densidad-velocidad.

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Figura 3b. Curva intensidad-densidad.

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Figura 3c. Curva intensidad-velocidad.

Dentro de los vehículos se distinguenligeros, pesados, diesel y gasolina y los cri-terios de emisión se ajustan a las normasPIARC que, como es sabido, recogen lainfluenciade diferentes factores como la alti-tud. las pendientes, la edad del parque móvil,etc.

Ello permite simular múltiples situacionesque combinan los diferentes escenarios decálculo con actuaciones sobre los ventilado-res. tiempos de escape, etc.

El modelo del sistema se indica en lafigura 4 que corresponde al túnel dirección

l. CICONSTITUCIO2. PUENTE DE FFCC3.CIPAVIA4. CI DE SANTS5. AV. MADRID6. CIDE CORTS

2 ,3

Figura 4. Red de tuberías empleada en el modelo de cálculo.

L

0.000

Sur-Norte. Puede verse que se trata de unared de tuberías en la que se observa el túnelprincipal y las incorporaciones y salida delmismo. Además se han modelado las tram-pillas y tuberías de extracción de los doscantones. En situación normal de servicioestas trampillas están cerradas, por lo quesólo es preciso estudiar el acoplamiento deltráfico, en régimen permanente, con laactuación de ventiladores y las pérdidas yempujes en los ramales de tráfico laterales.

El método de cálculo es el clásico deHardy-Cross donde se procede mediante unmétodo iterativo con los siguientes pasos5:

a) Se estructura una malla con circuitos acada uno de los cuales se hace corres-ponder una cuerda

b) Se estiman valores iniciales qj de los cau-dales en cada cuerda, lo que permite cal-cular los correspondientes a cada ramade la malla

c) La ecuación de cada cuerda conduce a unresiduo

nc

fk(qk)=L bkj (rjlqjl%-hNj -hEj-h".AFj );tO1

k = 1.2 m

donde los bkj son valores (:t1,0) según laorientación de la cuerda respecto a la malla

4

127

donde se ha supuesto que la pérdida de

carga en los ventiladores F¡ viene dadapor la curva del ventilador

en la que hNírepresenta las contrapresio-nes actuando en los bocas. La variación

de presión debido al efecto del tráfico seráde la forma:

hTRAfj = o, (Veh)'(~j -VyEH)I~j -VYEHI

+02(veh).(qj) IqjI

con 01 Y 02 funciones dependientes de lascaracterísticas del tráfico y de los vehícu-los que circulan por el túnel.

e) Se corrigen los valores de qj y se repite elproceso hasta que se consiguen erroresinferiores a una tolerancia prefijada.

En el caso de incendio el proceso es elmismo, incorporando a la formulación los tér-minos de inercia y llevando a cabo el proce-so iterativo para cada paso en el tiempo. Eneste caso existe la posibilidad de abrir lastrampillas en el momento que se estimeoportuno y hacer actuar los ventiladores deextracción.

Al respecto se han supuesto los siguien-tes intervalos de tiempo desde que se decla-ra el incendio:

128

El modelo de cálculo sigue siendo mono-dimensional en que las ecuaciones de trans-ferencia (velocidad, ental pía, concentración,etc) están condicionadas por los términosfuente y por las condiciones de contorno. Engeneral se tiene"

~(pljl) + div (pWIjI+ !(IjI» =q (1jI)at

donde:

1jI: propiedad genérica.del fluido (magnitu-des escalares transportadas)

p: densidad

W: vector velocidad

!(IjI): vector densidad de flujo

q (1jI): caudal de la fuente por unidad de volu-men

Para la resolución del sistema se recurre

a un método de diferencias regresivas en eltiempo a lo largo de cada rama obligando ala condición de conservación cuando se lle-

ga a un nudo con varias ramas.

3. ALGUNOS RESULTADOS

En las figuras 5 y 6 se indican las distri-buciones de presiones obtenidas en el tramoSur-Norte con tráfico saturado y con tráficorápido respectivamente.

En línea continua se indica la presióntotal, mientras que en trazos discontinuos se

d) Se corrigen los caudales mediante un · Tiempo de apertura de trampillas: 5s.

método de Newton-Raphson · Tiempo de apagado de motores: 5 min

· Tiempo de cierre de semáforos: 3min

f>q = _ (CLt)· Tiempo actuación sobre acelera-

k k (CLt) dores: 2 min

· Tiempo de arranque de acelera-con dores: 40s

· Tiempo de inversión de acelera-dores: 2 min

fk(qk)= bi{2(r/02)1%f-j +2')] qj +201j1Aj-vYEHIJ· Tiempo arranque ventiladores

de aspiración de humos: 20 s.

50

- - Prestónestética40 .. Presióndinámica

30

20

o ,1DfX' 11po

-10Constitució

a .173.81 m 3/5 a =202.527 ~ /s

DeCortsPuenteferroviario

Pavia De Sants

a = 25.97Q" -39.26 m 315

Figura 5. Distribución de presiones en régimen de servicio (tráfico saturado)

o

- - Presión estática

. " Presión dinámica

- Presión total

.. .. _:.. .....,

.., -,- -:- -:-._ -+ _ -+~-;;,;,;J; ..¡.

"

1100 1200 1300 1400 1500

-20 ...' '..t....

-40

Consliluci6 Puenteferroviario

Pavia De Sants Av. rj1adridDe CorIs

00597.88 ,J/s

--</0= 73.63 -;f(.

Figura 6 Distribución de presiones en régimen de servicio (tráfico rápido)

dibujala presión estática y con puntos la pre-sión debida a la velocidad. Se incluye tam-bién un diagrama en planta del túnel dondese indican los caudales circulantes por eltúnel principal y por los accesos. El caso

corresponde a la presencia de una contra-presión de 30 Pa, de origen barométrico oeólico.

En el primercaso es precisa la actuaciónde 16 aceleradores para vencer tanto la

129

100

80

80

40

20

Presión Fa)

resistencia de rozamiento en el túnel, comolos coeficientes de arrastre de los vehículosretenidos.

Las discontinuidades observadas en la

presión estática corresponden a la actuaciónde los aceleradores que, como se dijo másarriba, han sido colocados regularmenteespaciados a lo largo del túnel. En el gráficode presión dinámica se observan tambiénescalonamientos que reflejan las distintasdimensiones de las secciones del túnel, conlos correspondientes cambios de velocidad,así como las variaciones de caudal que seproducen en los ramales de incorporación ysalida. Se observan también las pérdidasocasionadas en las bocas de entrada y sali-da.

En la figura 6 la situación se simplificapues el efecto émbolo hace innecesaria laactuación de los aceleradores y tan sólo apa-recen las discontinuidades originadas por loscambios de sección o las incorporacionesprecitadas.

Por lo que se refiere al régimen transito-rio, en el cual se estudia la interrupción detráfico con incendio, se presentan dos tiposde gráficas. La primera (figura 7) representala evolución del aire en el interior del túnel

mostrando el caudal de aire que pasa por un

200

EXTRACCION

SUR-EXTRACCION

1000 1500 2!XXI

NORTE - EXTRACCION

~(s)

Figura 7. Evolución de caudales

130

Figura 8. Confinamiento de la nube de humos.

punto al Sur de la extracción, al Norte de laextracción y por el propio conducto deextracción. En ellas se aprecia el efecto de lainversión aguas abajo del incendio (caudalnegativo en Norte extracción), en el esfuerzopor confinar la nube de contaminantes.

La segunda gráfica representa la peligro-sidad de la situación para un pasajero,mediante gráficos de isolíneas de niveles deconcentración de ea (análogamente seobtendrían las de concentraciones dehumos) en una gráfica espacio-tiempo repre-sentativa del túnel principal (figuras 8). Unaisolínea más gruesa muestra el nivel admisi-ble. También se pueden apreciar en estosgráficos las trayectorias de escape de lospasajeros, contenidas entre las líneascorrespondientes a velocidades de 1 y 2 mis,que consiguen escapar si la trayectoria semantiene en niveles de concentración decontaminantes inferiores a los admisibles. Eneste caso la actuación sobre los ventiladoresde chorro permite confinar la masa de conta-minantes en los 250 metros correspondien-tes a las trampillas de extracción evitando su

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150

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:J 50«o

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Figura 9. Evacuación por la boca.

disipación por todo el túnel. Puede apreciar-

Figura 10. Coeficiente de extinción.

se la inversión de la nube sin que el viajero,

en su huida, llegue a verse afectado por con-centraciones superiores a los valores máxi-mos admisibles.

La forma de actuación sobre los ventila-

dores de chorro puede ser modificada enfunción de la situación. Así, aunque la situa-ción más desfavorable habitualmente sea detráfico saturado en el interior del túnel, en

caso de darse tráfico fluido puede ser conve-niente expulsar la nube de contaminantespor una de las bocas del túnel (figura 9).

La versatilidad del sistema de control per-mite, en casos extremos, invertir rápidamen-te la nube de contaminantes. Como se pue-de ver en la figura 10, la inversión se logra,no sólo en la zona aguas abajo, sino queafecta también a la zona aguas arriba, ahorabien, transcurrido un tiempo suficiente paraque los pasajeros ya no s.e encuentren enese lugar. En caso de necesidad la actuaciónpodría completarse, transcurrido un tiempo,de forma que con una nueva inversión lanube volviera a retroceder sobre el camino

recorrido, permitiendo la actuación de losequipos de emergencia de la zona y la dis-minución de la intensidad del incendio.

4. CONCLUSIONES

En caso de incendio, la combinación delos sistemas de extracción mediante trampi-

lIas y la actuación mediante ventiladores dechorro facilita el control de la mancha de con-taminantes. Esto resulta beneficioso, no sólo

a la hora de garantizar la seguridad de losusuarios de los túneles urbanos, sino a efec-tos de facilitar la tarea de los equipos de sal-vamento o extinción del incendio. Este tipode ventilación se muestra especialmenteinteresante en vías urbanas con problemastípicos de congestión, donde una estrategiaadecuada de control es fundamental para elsalvamento de los pasajeros. En este senti-do se destaca la conveniencia de confinar lanube de humos actuando con los ventilado-

res longitudinales a la vez que se extrae porlas trampillas.

131

5. AGRADECIMIENTOS

Se desea expresar explícitamente elagradecimiento de los autores a los ingenie-ros de Barcelona Regional, D. Juan Balta,D. Gaspar García y D. José Luis Esquerdogracias a cuyo interés y confianza ha sidoposible desarrollar este trabajo.

6. REFERENCIAS

1. R. López Guarga. "Proyecto de instalacionesdel túnel de Somport" MOPTMA 1996

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2.. Brouse & C. Morel. "ID-Computer Simulationsand Field Fire Testing using a Chimney LimitedLongitudinal Smoke Control System". Aerody-namics and ventilation of Vehicle Tunnels, de.J.R. Gillard, Mech. Engineer. Pub. 1997

3. May. "Trafic Flow Fundamentals" Prentice Hall,1990

4. Mannering & W.P. Kilareski. "Principies of High-way Engineering and Traffic Analysis" J. Wiley,19990

5. Hartman. "Mine Ventilation and Air Conditio-ning". Wiley, 1982

6. Casalé. "Les Simulati9ns Numeriques-Validation des Résultats et Précaution